Уходящее столетие трехфазного

«Врубая технику» на полную мощность и слушая любимую рок-группу, вставляя кассету в видеомагнитофон или обстреливая «вражеские» звездолеты на экране компьютера, вряд ли кто-нибудь задумывается о трех фазах - проводах, передающих электроэнергию за сотни и тысячи километров.

Но всего 100 лет назад считалось, например, что при использовании электрического тока вряд ли более 15 - 20% работы, произведенной паровыми двигателями, дойдет до какой-либо механической установки, находящейся на другом конце передачи. Для такого пессимистического вывода были основания. Дело в том, что в середине прошлого века нашел применение только постоянный электрический ток и использовали его лишь в гальванотехнике, медицине и электрическом телеграфе. А первые электродвигатели не очень-то были распространены из-за высокой стоимости источников питания — гальванических батарей. Других источников попросту не было.

Создание электрогенераторов постоянного тока с приводом от паровой машины позволило широко использовать возможности электричества. И сразу же изобретатели позаботились об источниках света и обратили внимание на свойства электрической дуги, открытой в 1802 году Василием Владимировичем Петровым. Ослепительно яркий свет позволял надеяться, что о свечах, лучине и даже газовых фонарях человечество позабудет навек. Однако в таком светильнике приходилось постоянно пододвигать поставленные «носами» друг к другу электроды — они довольно быстро выгорали. Сначала пробовали делать это вручную, затем появились десятки различных регуляторов, самым простым из которых был регулятор Аршро (рис. 1). Но для широкого применения такая система не годилась из-за ее сложности и, соответственно, ненадежности.

В 1875 году Павел Николаевич Яблочков предложил великолепное по своей простоте решение вопроса. Он расположил угольные электроды параллельно, разделив их изолирующим слоем (рис. 2). Изобретение это имело колоссальный успех, и «свеча Яблочкова» или «Русский свет» нашел широкое распространение во всех странах Европы.

Однако питание «свечей» постоянным током было неудобным. Уголь положительного электрода сгорал быстрее, ведь при образовании дуги анод, бомбардируемый электронами, разогревается до высоких температур. Анод делали массивным, но и это усложнение светильника не давало желаемого результата. Именно тогда, стараясь «уравнять в правах» электроды, Яблочков и предложил использовать переменный ток. Пожалуй, это решение по своей значимости было гениальным. Оно сразу позволило решить две проблемы: сделать «свечу» удобной и экономичной и во многом улучшить конструкцию генератора. Ведь становился ненужным коллектор - механическое устройство для превращения переменного тока, получаемого в любом генераторе, в постоянный. В дальнейшем это позволило поменять местами ротор и статор, что еще упростило конструкцию.

Второй шаг в создании современной электропередачи был снова сделан Яблочковым и его помощником Иваном Филипповичем Усагиным. И связан он с созданием электрического трансформатора. Дуговые электрические лампы нельзя было включать в цепь параллельно. Посудите сами: ведь зажигание такого светильника - это просто-напросто короткое замыкание (рис. 3). Поэтому приходилось включать все лампы последовательно и одновременно. Яблочков вышел из этого положения с помощью индукционных катушек — бобин с двумя обмотками, то есть, на нынешнем языке говоря, трансформаторов. Их первичные обмотки включались последовательно, а к вторичным присоединялись «свечи Яблочкова». Эти бобины-трансформаторы были изготовлены Усагиным (рис. 4).

Заметим, что бобины Усагина имели и в первичной и во вторичной обмотках одинаковое число витков. Однако, изменяя их отношение, можно было повышать или понижать напряжение на выходе. Трудно переоценить значимость этого изобретения. Трансформаторы позволяли увеличивать напряжение линий электропередачи, уменьшая при этом ток и, следовательно, потери. Так открылся путь к передаче энергии на большие расстояния.

Казалось бы, все хорошо, но следующая загвоздка: не существовало надежных двигателей переменного тока. Они плохо раскручивались, при перегрузке останавливались и не могли составить конкуренции двигателям постоянного тока. Конструкторы не понимали почему так происходит?

В 1885 году итальянский профессор Галилео Феррарис развил теорию, по которой два переменных тока, сдвинутые по фазе на 90°, с помощью катушек, соответственно расположенных, создают постоянное по интенсивности вращающееся магнитное поле, которое можно использовать при создании электродвигателя переменного тока (рис. 5). Принцип легко понять с помощью модели, демонстрирующей сложение двух гармонических колебаний (рис. 6). Она состоит из пары пластин с одинаковыми, расположенными под прямым углом друг к другу прорезями, за ними — экран. Если поток света направлен на неподвижные пластины, то на экране он образует лишь одну световую точку. Когда же пластины начнут колебаться с одинаковой частотой, но со сдвигом фаз в 90°, световая точка будет описывать окружность.

Однако Феррарис считал, что двигатель, собранный по двухфазной схеме, окажется весьма неэкономичным. Тем не менее Никола Тесла - знаменитый изобретатель из Сербии - применил эту систему для электродвигателя и даже опробовал его, использовав энергию электростанции на Ниагарском водопаде.

И в 1888 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский начал работу над двигателем своей конструкции. Он установил, что при наличии только двух пар полюсов невозможно образовать постоянное по величине вращающееся магнитное поле, и начал увеличивать число полюсов или фаз. Характеристики двигателей улучшались, но... каждая фаза требовала для питания два провода, что в эксплуатации сводило на нет все преимущества двигателя—ведь каков расход меди! Остановившись на трехфазной системе, Доливо-Добровольский разработал схему, в которой для питания использовалось всего три провода (рис. 7). Применив короткозамкнутый ротор в двигателе, изобретатель убрал из него коллекторно-шеточный аппарат, сделав машину весьма удобной и простой в обращении. Это произошло в 1889 году, то есть всего лишь за год он разработал конструкцию, которая используется до сих пор!

Триумф трехфазной системы электропередачи пришел в 1891 году, когда были произведены испытания системы Доливо-Добровольского на линии длиной 170 км — КПД передачи составил 79% при напряжении в 28 300 В.

А в 1893 году в Новороссийске была построена трехфазная электростанция мощностью 1200 кВт. Строил электростанцию русский инженер-путеец А. Шенснович.

Вот уже сто лет, как в мировой энергетике доминируют передачи трехфазного тока, но это не значит, что они не имеют недостатков. Дело в том, что для переменного электрического тока в принципе не существует идеальных изоляторов. Такой электротехнический прибор, как конденсатор, состоящий из пластин, переложенных диэлектриком, для переменного тока — сопротивление, а не накопитель энергии. Если себе представить воздушную линию электропередачи, как конденсатор, где обкладками являются провода, а диэлектрик — окружающий воздух, то можно понять, что с увеличением расстояния передачи емкость самой системы будет увеличиваться, а с ней и потери (рис. 8). И чем выше напряжение — тем больше. В каких-то пределах передача трехфазными токами оказывается неэкономичной.

Автор трехфазной системы Доливо-Добровольский это прекрасно понимал и уже в 1919 году говорил, что со временем следует перейти для сверхдальних электропередач к линиям постоянного тока высокого напряжения. С развитием полупроводниковой техники это стало возможным.

Б. Г. Хасапов